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1、 实 验 目 录实验一 金属箔式应变片单臂性能实验实验二 金属箔式应变片半桥性能实验实验三 金属箔式应变片全桥性能实验实验四 金属箔式应变片电子秤实验实验五 差动变压器的性能测定实验六 电容式传感器的位移特性实验实验七 直流激励时霍尔传感器位移特性实验实验八 热敏电阻的特性研究实验九 光电二极管和光敏电阻的特性研究附录1 实验箱温度控制简要原理附录2 温度控制器使用说明实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、 实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥工作原理和性能。二、 基本原理:金属丝在外力作用下发生机械形变时,其电阻值会发生变化,这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为: (
2、1) 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时,将伸长,横截面积相应减小,电阻率因晶格变化等因素的影响而改变,故引起电阻值变化。对式(1)全微分,并用相对变化量来表示,则有: (2) 式中的为电阻丝的轴向应变,用表示,常用单位(1=1)。若径向应变为,电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为,因为=2(),则(2)式可以写成: (3) 式(3)为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数,从式(3)可见,受两个因素影响,一个是(1+),它是材料的几何尺寸变化引起的,另一个是,是材料的电阻率随应变引起的(称“压阻效应”)。对于金属材料而言,以前者为主,则,对半导体,值主要是由电阻率相对变化所决定。
3、实验也表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时,将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下,被测对象表面产生微小机械变形时,应变片敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化,根据(3)式,可以得到被测对象的应变值,而根据应力应变关系 (4)式中 测试的应力; E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件,将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,因此可以用应变片测量上述各量,从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片。三、需用器件与
4、单元:应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源、万用表(自备)。四、实验内容与步骤:1、应变片的安装位置如图(11)所示,应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量,R1=R2=R3=R4=350。 图11 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置,再进行差动放大器调零,方法为:将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开
5、关打到2V档)。关闭主控箱电源。(注意:当Rw2的位置一旦确定,就不能改变。)3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,(R5、R6、R7模块内已接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源5V,此时应将5V地与15V地短接(因为不共地)如图1-2所示。检查接线无误后,合上主控箱电源开关。调节Rw1,使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1,关闭电源。图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图表11单臂电桥
6、输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mv)5、 根据表11计算系统灵敏度(输出电压的变化量,重量变化量)和非线性误差f1=m/yFS 100 式中(多次测量时为平均值)为输出值与拟合直线的最大偏差:yFS 满量程输出平均值,此处为200g. 五、实验注意事项:1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V,绝不可错接成15V,否则可能烧毁应变片。六、思考题: 1、单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。 七、实验报告要求:1、记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、从理论上分
7、析产生非线性误差的原因。实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的:1、了解半桥的工作原理。2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理:把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压UO2EG2。式中E为电桥供电电压。三、 需用器件与单元:应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、 实验内容与步骤:1、接入模板电源15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,进行差动放大器调零,方法为:将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连,调节实验
8、模板上调零电位器Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。2、根据图2-1接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2应和R1受力状态相反,即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源5V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零,重复实验一中的步骤4、5,将实验数据记入表2-1,计算灵敏度,非线性误差。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。图2-1 应变式传感器半桥实验接线图表21半桥测量时,输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mV)五、实验注意事项:1、不要在砝码盘上放置超过
9、1kg的物体,否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V,绝不可错接成15V,否则可能烧毁应变片。五、思考题:1、 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:(1)对边(2)邻边。2、 桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差,是因为:(1)电桥测量原理上存在非线性(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。七、实验报告要求:1、记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍,而且非线性误差也得到改善。实验三 金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的:了解全桥测量电路的原理及优点。二、基本原理:全桥测量电路中,将受力性
10、质相同的两个应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:R1R2R3R4,其变化值R1R2R3R4时,其桥路输出电压U03KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到明显改善。三、需用器件和单元:应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤:1、 根据3-1接线,实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1;进行灵敏度和非线性误差计算。表31全桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mV)图3-1 应变式传感器全桥实验接线图五、实验注意事项:1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V,绝不可错接成15V。六、思
11、考题:1、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)值R相同时,即R1R3,R2R4,而R1R2时,是否可以组成全桥:(1)可以(2)不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。图3-2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求: 1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。 2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,并从理论上加以分析比较,得出相应的结论。实验四 直流全桥的应用电子秤实验一、 实验目的:了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理:电子秤实验原理为实验三,利用全桥测量原理
12、,通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元:应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤:1、按实验一中2的步骤,将差动放大器调零,按图3-1全桥接线,合上主控箱电源开关,调节电桥平衡电位器Rw1,使数显表显示0.000V(2V档)。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rw2(增益即满量程调节)使数显表显示为0.200V或0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码,调节电位器Rw1(零位调节)使数显表显示为0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量
13、纲V改为重量量纲g,就可以称重,成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上,填入下表4-1。表41电桥输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)1、 根据上表,计算误差与非线性误差。五、实验注意事项:1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V,绝不可错接成15V。六、实验报告要求:1、记录实验数据,绘制传感器的特性曲线。2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大,怎么消除,若要增加输出灵敏度,应采取哪些措施。实验六 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的:了解电容式传感器结构及其特点。二、 基本原理:利用平板电容CSd和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、S、d中三个参数中,保持两个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(变)测微小位移(变d)和测量液位(变S)等多种电容传感器。变面积型电容传感器中,平板结构对极距特别敏感,测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,且理论上具有很好的线性关系,(但实际由于边缘效应的影响,会引起极板间的电场分布不均,导致非线性问题仍然存在,且灵敏度下降,但比变极距型好得多。)成为实际中最常用的结构,其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为: (1)式中 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动时,电容变化量为